Báo cáo môn học Điện tử công suất tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo và Ứng dụng của diode, thyristor, mosfet và igbt

Diode có 2 cực, anode A là cực nối với lớp bán dẫn P, cathode K là cực nối với lớp bán dẫn N Hình 1.1 Diode công suất Nối điện thế một điện trường ngoài U, trạng thái cân bằng bị phá v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN ĐIỆN KỸ THUẬT

BÁO CÁO MÔN HỌC: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ, CẤU TẠO VÀ ỨNG DỤNG CỦA

DIODE, THYRISTOR, MOSFET VÀ IGBT

Sinh viên thực hiện

Họ tên: Nguyễn Hữu Toàn

MSSV: S200865

Lớp: 2407MEC

Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Hữu Công

HÀ NỘI, 10/2024

1 Diode

Cấu tạo

Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n Diode có 2 cực,

anode (A) là cực nối với lớp bán dẫn P, cathode (K) là cực nối với lớp bán dẫn N

Hình 1.1 Diode công suất

Nối điện thế một điện trường ngoài (U), trạng thái cân bằng bị phá vỡ, nếu nối điện thế ngoài theo chiều dương (+) với anode và âm (–) với cathode của diode (hình 1.3), điện trường ngoài sẽ ngược chiều với điện trường của điện áp tiếp xúc, các phần tử tải điện dịch chuyển qua vùng tiếp xúc và tạo ra dòng điện thuận qua diode Nếu nối điện thế ngoài theo chiều dương (+) với cathode và chiều âm (–) nối với anode của diode hình 1.2, sẽ tạo ra điện trường ngoài cùng chiều với điện thế tiếp xúc, làm vùng nghèo được

mở rộng Vùng nghèo của lớp tiếp xúc không cho phép các phần tử tải điện chuyển qua lớp tiếp xúc và dòng qua lớp tiếp xúc chỉ là dòng điện rò

Hình 1.4: Đặc tính Volt-Ampe của diode:

a Đặc tính thưc tế b Đặc tính tuyến tính hóa c Đặc tính lý tưởng

Đặc tính đóng cắt:

Khác với đặc tính Volt-Ampe là đặc tính tĩnh, đặc tính u(t), i(t) cho thấy dạng của điện áp và dòng điện trên diode theo thời gian, gọi là đặc tính động hay đặc tính đóngcắt của diode Đặc tính đóng-cắt của diode tiêu biểu được thể hiện trên hình 1.5

+ Khoảng t1 diode bắt đầu dẫn dòng Dòng điện ban đầu nạp điện tích cho tụ điện tương đương tiếp giáp p-n

+ Khoảng t2 khi lượng điện tích đã đủ lớn độ dẫn điện của tiếp giáp tăng lên, điện trở giảm và điện áp trên diode trở về ổn định ở mức sụt áp cỡ 1-1,5V (Von ) diode hoàn toàn dẫn dòng

Hình 1.5: Đặc tính đóng cắt của một diode

+ Khoảng t3 diode bắt đầu khóa Diode vẫn còn được phân cực thuận cho đến khi các điện tích trong lớp tiếp giáp được di chuyển hết ra ngoài Thời gian di chuyển phụ thuộc giá trị tăng của dòng ngược dirr /dt và lượng điện tích tích lũy

+ Khoảng t4 tiếp giáp p-n phân cực ngược và diode có khả năng ngăn cản dòng điện

+ Khoảng t5 tụ điện tiếp tục được nạp tới điện áp phân cực ngược

Diện tích gạch chéo trên đường dòng điện i(t) tương ứng bằng với lượng điện tích phải di chuyển ra bên ngoài Qrr Điện tích Qrr là điện tích phục hồi Thời gian trr = t4+t5 gọi là thời gian phục hồi và là

một trong những thông số quan trọng của diode

I F

t 3 t 4 t 5

t rr

i D

u D t 1 t

2

V on

V F

V R

t

t

Q rr

Vrr

Ứng dụng:

- Chỉnh lưu: Diode công suất thường được sử dụng trong mạch chỉnh lưu, chuyển đổi dòng

điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) Điều này rất cần thiết trong nguồn cung cấp điện cho các thiết bị điện tử

- Bảo vệ ngược: Diode công suất có thể được sử dụng để bảo vệ mạch khỏi dòng điện ngược,

giúp ngăn chặn hư hỏng cho các linh kiện nhạy cảm

- Mạch chuyển mạch (Switching circuits): Trong các mạch chuyển mạch, diode công suất

giúp kiểm soát dòng điện và tăng hiệu suất làm việc của mạch

- Mạch điều khiển động cơ: Diode công suất có thể được dùng để bảo vệ động cơ khỏi dòng

điện ngược khi động cơ ngừng hoạt động hoặc thay đổi hướng

- Mạch sạc pin: Trong các ứng dụng sạc pin, diode công suất giúp kiểm soát dòng sạc và ngăn

chặn dòng điện chảy ngược vào nguồn điện

- Biến tần: Diode công suất được sử dụng trong các biến tần để chuyển đổi năng lượng từ DC

sang AC và ngược lại, phục vụ cho các ứng dụng năng lượng tái tạo

2 Thyristor

Cấu tạo:

Hình 2.1 Thyristor

Cấu trúc bán dẫn gồm 4 lớp, p-n-p-n, tạp nên 3 tiếp giáp p-n, J1, J2, J3

Có 3 cực

- Anode: nối với lớp p ngoài cùng,

- Cathode: nới với lớp n ngoài cùng,

- Gate: cực điều khiển, nối với lớp p ở giữa

Là phần tử có điều khiển Có thể khóa cả điện áp ngược lẫn điện áp thuận

Nguyên lý hoạt động:

a Kích mở Thyristor

Khi phân cực thuận cho thyristor UAK >0, mặt ghép J1 và J3 phân cực thuận, mặt

ghép J2 phân cực ngược, gần như toàn bộ điện áp đặt vào mặt ghép J2 Điện trường nội

tại E của J2 cùng hướng với điện trường ngoài, vùng cách điện được mở rộng ra, không có dòng chảy qua thyristor Khi đó để mở thyristor có 2 cách:

- Cách 1 Là tăng điện áp thuận UAK cho đến khi lớn hơn Uthmax khi đó điện trở nội của thyristor giảm mạnh, dòng qua thyristor sẽ do mạch ngoài xác định Phương pháp này trong thực tế không dùng (cần phải tránh) do những nguyên nhân sau: thyristor mở không mong muốn và không phải khi nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị Uthmax Trường hợp này thường xảy ra do tác dụng của xung áp tại một thời điểm ngẫu nhiên không định trước

- Cách 2 Đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào cực điều khiển (UGK>0) Đây là phương pháp điều khiển thyristor được áp dụng trong thực tế Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp Khi đó nếu dòng qua thyristor lớn hơn một giá trị Idt thì thyristor sẽ tiếp tục ở trạng thái dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển Có nghĩa là có thể điều khiển mở thyristor bằng các xung dòng có độ rộng nhất định, do vậy công suất mạch điều khiển thực tế là rất nhỏ so với công suất mạch động lực Tức là khi cấp dòng điện vào cực điều khiển, các điện tử từ N chảy sang P Tại đây một phần chảy vào nguồn và hình thành dòng điều khiển Ig theo mạch G-J3-K-G Một phần điện tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp tại mặt ghép J2 chúng lao vào vùng chuyển tiếp này Được gia tốc bởi

điện trường, động năng tăng lên, trong quá trình chuyển động chúng va quệt và bẻ gãy các liên kết giữa các nguyên tử Si tạo nên những điện tử tự do mới Số điện tử mới giải phóng này lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp Kết quả là phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N1 gây nên hiện tượng dẫn điện

ào ạt, mặt ghép J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm nào đó quanh cực G rồi lan ra toàn mặt ghép Dòng điện IAK tăng mạnh các điện tử chuyển động theo chiều N2 - P2 –N1 – P1 sẽ liên tiếp bắn phá mặt ghép J2 làm cho mặt ghép này không thể khôi phục tính chất cách điện, do vậy thời điểm này nếu Ig = 0 thyristor vẫn tiếp tục dẫn dòng Nếu dòng điện qua thyristor giảm xuống, thì số lượng điện tích chuyển động qua mặt ghép J2 giảm xuống Khi dòng nhỏ hơn dòng duy trì thì số điện tích chuyển động qua mặt ghép J2 không

đủ để duy trì tính dẫn điện của mặt ghép J2 kết quả là mặt ghép sẽ khôi phục dần tính chất cách điện.Thyristor trở về trạng thái khoá

b Kích khoá thyristor

Khi một thyristor đã mở, sự hiện diện của tín hiệu điều khiển Ig là không cần thiết, để khoá

thyristor có 2 cách Cách 1 giảm dòng qua thyristor xuống dưới giá trị dòng duy trì Idt Cách 2 đặt một điện áp ngược lên thyristor (biện pháp thường dùng) Khi đặt một điện áp ngược lên thyristor, mặt ghép J1 và J3 bị phân cực ngược, J2 được phân cực thuận Những điện tử tại thời điểm trước khi đặt điện áp ngược đang có mặt tại P1,N1, P2 bây giờ đảo chiều chuyển động tạo nên dòng điện ngược chảy từ K về A Lúc đầu dòng điện ngược lớn, sau đó mặt ghép J1 và J3 trở nên cách điện,

dòng điện ngược giảm dần Dòng điện ngược di chuyển các điện tích ra khỏi mặt ghép J2 và nạp điện cho hai tụ điện tương đương của hai mặt ghép J1 và J3 Thời gian khoá của thyristor được tính

từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược cho tới khi dòng điện ngược bằng không Đây là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu lại đặt điện áp thuận lên thyristor thì nó cũng không thể mở Thời gian

khoá có giá trị 5μs-50μs đối với thyristor tần số cao và 50μs-200μs đối với thyristor tần số thấp

Hình 2.1 Đặc Tuyến V-A

Đặc tính đóng cắt

1 Quá trình đóng thyristor

Quá trình tăng dòng trong thyristor được bắt đầu sau một khoảng thời gian t1, giá trị của thời gian này phụ thuộc vào biên độ dòng xung ban đầu Igmax và dao động trong khoảng 0,1-2ms Trong khoảng thời gian ban đầu dòng qua thyristor tăng đến giá trị dòng chốt, dòng này thường có giá trị bằng 0,1Idm Sau đó dòng điện tăng dần và đạt giá trị ổn định sau khoảng thời gian t2 Sau khi thyristor dẫn xung dòng điện điều khiển có thể giảm

2 Quá trình ngắt thyristor

Được tổng hợp từ 3 giai đoạn: Giai đoạn tăng dòng ngược (t3), giai đoạn giảm dòng ngược về 0 (t4), giai đoạn phục hồi tính nghịch của thyristor (t5) Chỉ sau khoảng thời gian tr = t3 + t4+ t5 thì trên hai cực của thyristor mới có thể đặt một điện áp thuận tr thời gian ngắt an toàn của thyristor:

là khoảng thời gian từ khi dòng thuận trở về 0 cho đến khi xuất hiện điện áp khoá thuận mà

thyristor không bị đóng lại khi chưa có tín hiệu xung điều khiển

Hình 2.1 :Đặc tuyến đóng cắt của thyristor

Ứng dụng:

- Chỉnh lưu: Thyristor thường được sử dụng trong mạch chỉnh lưu để chuyển đổi dòng điện

xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) với khả năng điều chỉnh điện áp

- Điều khiển động cơ: Trong các hệ thống điều khiển động cơ, thyristor được sử dụng để điều

chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ bằng cách thay đổi điện áp cấp cho động cơ

- Mạch điều khiển nhiệt độ: Thyristor được sử dụng trong các mạch điều khiển nhiệt độ như

bộ điều khiển nhiệt (SCR) để điều chỉnh điện năng cung cấp cho các thiết bị như lò nung, lò sưởi

- Biến tần: Thyristor có thể được sử dụng trong các mạch biến tần để chuyển đổi và điều chỉnh

điện năng trong các hệ thống năng lượng tái tạo

- Hệ thống chiếu sáng: Trong các hệ thống chiếu sáng, thyristor có thể được sử dụng để điều

chỉnh độ sáng của đèn, giúp tiết kiệm năng lượng

- Bảo vệ mạch: Thyristor có thể được sử dụng trong các mạch bảo vệ để ngăn chặn dòng điện

quá mức, giúp bảo vệ các linh kiện nhạy cảm

- Hệ thống nguồn: Thyristor được sử dụng trong các nguồn điện DC có điều chỉnh để cung

cấp điện cho các thiết bị công nghiệp và điện tử

3 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)

Cấu tạo:

Hình 3.1: Mosfet

MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ

MOSFET là một loại transistor với ba cực: Gate (cổng), Drain (cực thoát) và Source (cực nguồn)

Cấu trúc bán dẫn:

- Cực gốc: S

- Cực máng: D

- Cực điều khiển: G

Cực gốc nối với lớp p, cực máng nối với lớp n, vì vậy bình thường không có kênh dẫn giữa D và S

Cực G nằm cách ly trong một lớp oxit kim loại, có điện trở suất rất lớn, cách ly hoàn toàn với cực gốc

và cực máng

Khi VGS dương đến một giá trị nào đó, gọi là ngưỡng, các lỗ p bị đẩy ra, các điện tử được thu hút đến, tạo nên một kênh dẫn giữa D và S Dòng điện có thể đi qua cấu trúc bán dẫn này

Dòng điện là dòng các điện tử, các hạt mang điện cơ bản

Nguyên lý hoạt động:

Hình 3.2 mô tả sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của mosfet Trong chế độ làm việc bình thường uDS > 0, giả sử điện áp giữa cực điều khiển và cực nguồn bằng không uGS = 0, khi đó kênh dẫn sẽ không hoàn toàn xuất hiện Giữa cực nguồn và cực máng sẽ là tiếp giáp p - n

-phân cực ngược Điện áp uDS sẽ hoàn toàn rơi trên vùng nghèo điện tích của tiếp giáp này (hình a) Nếu điện áp điều khiển âm uGS < 0, thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các lỗ p, do

đó dòng điện giữa cực nguồn và cực máng sẽ không xuất hiện Khi điện áp điều khiển dương uGS >

0 và đủ lớn, bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử và một kênh dẫn thực sự đã hình thành (hình b) Như vậy trong cấu trúc bán dẫn của mosfet, các phần tử mang điện là các điện tử, giống như của lớp n tạo nên cực máng, nên mosfet được gọi là phần tử với các hạt mang điện cơ bản, khác với cấu trúc của BJT, IGBT, THYRISTOR là các phần tử với các hạt mang điện phi cơ bản Dòng điện giữa cực máng và cực nguồn bây giờ phụ thuộc vào điện áp uDS

Từ cấu trúc bán dẫn của mosfet (hình c), có thể thấy rằng giữa cực máng và cực nguồn tồn tại một tiếp giáp p – n-, tương đương với một diode ngược nối giữa D và S Trong các sơ đồ của các bộ biến đổi, để trao đổi năng lượng giữa tải và nguồn thường cần có các diode mắc song song với các van bán dẫn Như vậy, ưu điểm của mosfet là đã có sẵn một diode nội tại

Hình 3.2: Sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET kênh N

Hình 3.3: Đặc tính V-A

Đặc tính đóng cắt của mosfet

Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản, mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao Tuy nhiên để có thể đạt được thời gian đóng cắt rất ngắn thì vấn đề điều khiển là rất quan trọng Cơ chế ảnh hưởng tới thời gian đóng cắt của mosfet là các tụ điện kí sinh giữa các cực

Hình 3.4: Mô hình một khoá mosfet

a) Các thành phần tụ ký sinh giữa các lớp bán dẫn trong cấu trúc mosfet

b) Mạch điện tương đương

Hình 3.3 thể hiện các thành phần tụ điện ký sinh tạo ra giữa các phần trong cấu trúc bán dẫn của mosfet Tụ điện gữa cực điều khiển và cực gốc CGS phải được nạp đến điện áp UGS trước khi dòng cực máng có thể xuất hiện Tụ giữa cực điều khiển và cực máng CGD có thể ảnh hưởng mạnh đến giới hạn tốc độ đóng cắt của mosfet

Hình 3.5 Sự phụ thuộc của tụ điện giữa (CGD) vào điện áp UDS

Các tụ này thực ra có giá trị thay đổi theo mức điện áp, ví dụ CGD thay đổi theo điện áp UDS giữa giá trị thấp CGDI và giá trị cao CGDH như được chia ra trên hình 3.5

Để xác định công suất cho mạch điều khiển mosfet, các tài liệu kỹ thuật thường cho thông số điện tích nạp cho cực điều khiển QG (đơn vị culông, C) dưới điện áp khi khoá giữa cực máng và cực gốc UDS(OFF) nhất định Khi đó công suất mạch điều khiển được tính bằng: Pđiều khiển=UDS.QG.fSW

Trong đó fSW là tần số đóng cắt của mosfet

Tổn hao công suất do quá trình đóng cắt trên mosfet được tính bằng: PSW=1/2.UDS.ID.fSW.(tON + tOFF)

Trong đó: tON, tOFF là thời gian mở và khoá của mosfet, tương ứng là các khoảng cách thời gian từ t1 đến t4 trên đồ thị dạng sóng các quá trình mở, khoá

Đồ thị dạng dòng điện, điện áp của quá trình đóng ngắt mosfet được trình bày trên hình 3.6

+ Trong khoảng tdon thời gian trễ khi mở

+ Trong khoảng tr điện áp UGS = UGSth transistor bắt đầu dẫn, dòng Id tăng tuyến tính, điện áp UDS bắt đầu giảm

+ Sau khoảng tr dòng ID không đổi, UGS tăng đến giá trị cuối cùng xác định giá trị thấp nhất của điện áp giữa cực gốc và máng UDS =IDS.RDS(on)

+ Trong khoảng tdoff thời gian trễ khi khóa, dòng điều khiển phóng điện cho tụ CGS

và CGD

+ Trong khoảng tf điện áp UDS bắt đầu tăng đến giá trị cuối cùng, dòng ID bắt đầu giảm

Hình 3.6: Đặc tính đóng cắt của mosfet

Ứng dụng:

- Công tắc điện (Switching): MOSFET thường được sử dụng như công tắc trong các mạch

điện, cho phép điều khiển dòng điện với hiệu suất cao

- Chỉnh lưu: MOSFET có thể được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu để chuyển đổi dòng

điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC), với ứng dụng phổ biến trong nguồn cung cấp điện

- Bộ khuếch đại: Trong các mạch khuếch đại, MOSFET được sử dụng để khuếch đại tín hiệu

điện, đặc biệt trong các mạch âm thanh và RF

- Mạch điều khiển động cơ: MOSFET thường được sử dụng trong các mạch điều khiển động

cơ DC và bước, giúp điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn

- Mạch chuyển đổi năng lượng: Trong các bộ chuyển đổi DC-DC, MOSFET được sử dụng

để điều chỉnh và tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng

- Hệ thống năng lượng tái tạo: MOSFET được sử dụng trong các mạch điều khiển cho hệ

thống năng lượng mặt trời và gió, giúp tối ưu hóa việc thu thập và chuyển đổi năng lượng

- Thiết bị điện tử tiêu dùng: MOSFET có mặt trong nhiều thiết bị điện tử như máy tính, điện

thoại, và TV, phục vụ cho các chức năng như nguồn điện và điều khiển tín hiệu

- Mạch bảo vệ: MOSFET có thể được sử dụng trong các mạch bảo vệ để ngăn chặn dòng điện

quá mức, bảo vệ các linh kiện nhạy cảm

4 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Cấu tạo:

Hình 4.1 IGBT

IGBT là sự kết hợp giữa MOSFET và BJT (transistor lưỡng cực), với cấu trúc bao gồm một

MOSFET để điều khiển và một BJT để xử lý dòng điện lớn IGBT có ba cực: Gate (cổng), Collector

(cực thu), và Emitter (cực phát) Kết cấu này mang lại khả năng điều khiển dễ dàng của MOSFET và khả năng chịu dòng cao của BJT

IGBT là phần tử kết hợp được ưu điểm của BJT và MOSFET:

- Giống BJT nên có thể đóng cắt được dòng điện lớn, chịu được điện áp cao

- Giống MOSFET về điều khiển bằng điện áp nên công suất điều khiển nhỏ, tần số đóng cắt cao